房屋钢结构设计问题研讨

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1正确选用钢材质量等级和焊缝质量等级

按照规范要求，在钢结构设计文件中，应当注明钢结构所采用的材料的质量等级(包括相适应的焊接材料型号)，并对焊缝质量提出质量等级要求。在审查的实际工程项目中，有的焊接钢结构在材料一项，只注明材料采用Q235钢或Q345钢，不提出质量等级要求；对于焊缝质量等级，部分项目不提出要求，部分项目提出的要求不当。钢结构房屋所使用的钢材应当具有抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯试验和硫、磷含量的合格保证；对于焊接钢结构，尚应具有含碳量的合格保证。抗震设计时，当焊接钢结构的钢板厚度不小于40ram且承受沿板厚方向的拉力时，还应保证板厚方向截面收缩率不低于Z15级的要求。在地震区，钢结构所使用的钢材，除了具有上述合格保证外，《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)(以下简称《抗震规范》)还要求它们具有冲击韧性的合格保证。对冲击韧性的合格保证，还应根据结构不同的工作温度提出不同的要求。为保证结构有必要的安全储备和足够的塑性变形能力，《抗震规范》还对钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值、伸长率的限值和良好的可焊性等物理力学指标做出了明确的规定，并要求也要写入设计文件中。一般来说，钢结构的主要受力构件宜采用Q235B及以上等级的碳素结构钢和Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢。不建议使用质量等级为A级的钢材，原因是这种类型的钢材不保证冲击韧性和延性性能，Q235A级钢材还不保证焊接要求的含碳量限值。在现代钢结构中，焊接连接已成为钢结构连接的最基本方法，焊缝质量的好坏直接影响到结构安全，所以应当根据结构或构件的重要性和受力性能及焊缝的受力情况，确定焊缝的质量等级。通常，板材的对接焊缝，承受动力荷载构件(如吊车梁)的较重要的焊缝，需作疲劳验算的焊缝，以及须与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝(如框架梁、柱及其连接节点的对接焊缝，工字形截面与其端板的对接焊缝)，其焊缝应采用坡口全熔透对接焊缝，其焊缝质量等级不得低于二级。其他部位的焊缝，一般均可采用角焊缝。角焊缝由于应力集中现象严重，内部探伤亦很困难，其焊缝质量等级一般只能是三级，其中某些重要角焊缝可允许要求其外观缺陷符合二级的要求。

2房屋的温度区段内应按规范规定设置独立的空间稳定支撑体系

下面以门式刚架设计为例，介绍支撑体系设置不当的情况：(1)有的项目未将屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨间内，无法形成独立的空间支撑体系，不仅不利于抗震，给施工安装也带来不便。(2)有的项目将屋面横向水平支撑设在端部第二个开间，但未在端跨相应位置设置刚性纵向系杆，使山墙的风荷载等水平力不能可靠传递。(3)屋面支撑的布置未与山墙抗风柱的位置相协调，使抗风柱的柱顶反力不能直接传到屋面横向支撑的节点上，造成山墙处屋面系统受力复杂化，影响结构的安全。(4)比较多的项目屋面横向水平支撑的直腹杆(包括屋脊处和柱顶处)未按刚性系杆考虑，采用檩条兼做时，又未对檩条的刚度和承载力进行验算。除屋脊处布置双檩，相互之间又有不少于两点(根据檩条跨度大小确定连接点数)用刚性连接件连接起来可以起到刚性系杆的作用外，其他各处(包括柱顶处)未经加强的檩条很难起到刚性系杆作用，因为常用的z形或c形冷弯薄壁型钢檩条侧向刚度很差。屋面横向水平支撑的直腹杆刚度不足，柱顶系杆刚度不足，直接影响到房屋的纵向受力和传力性能。当檩条无法起到刚性直腹杆的作用时，通常应在屋脊处、柱顶处以及屋面设置横向水平支撑直腹杆，在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其它截面形式的刚性杆件，以保证房屋纵向结构安全可靠地工作。在刚架转角处(边柱柱顶和屋脊，以及多跨房屋相应位置的中间柱柱顶)的刚性系杆应沿房屋全长设置。(5)屋面支撑和柱间支撑当采用柔性圆钢拉条时，宜设张紧装置(如花兰螺栓)，当荷载较大时，这些柔性圆钢拉条宜改为型钢，这也是一部分项目注意得不够的地方。

3实腹式门式刚架应按规范规定设置隅撑

规范规定，在檩条或墙梁与刚架的连接处，在斜梁下翼缘的受压区或刚架柱内侧翼缘的受压区，至少每隔一根檩条或墙梁应设置按受压构件设计的隅撑，将檩条或墙梁与翼缘受压区直接连接起来。采用双层屋面板时亦应设置隅撑。隅撑虽小，作用很大，它是用来保证斜梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。但是，有相当一部分工程未按规范要求设置隅撑，或者设置得很少，或者设置得不当，这将影响刚架的整体稳定性，危及结构的安全。当山墙抗风柱与刚架斜梁下翼缘连接时，连接处的斜粱下翼缘亦应设置隅撑。

4合理设置压型钢板轻型屋面的拉条

对于有檩体系的压型钢板轻型屋面，为了减少檩条在使用阶段和施工过程中的侧向变形和扭转，通常在檩条间要设置拉条(包括斜拉条和撑杆，以下同)作为檩条的侧向支点，以保证檩条的侧向稳定。当檩条跨度大于4m时，应在檩条跨中设置一道拉条；当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。拉条按拉杆设计，当采用圆钢时直径不宜小于10mm。撑杆按压杆设计，多采用钢管或角钢制作。圆钢拉条通常设置在距檩条上翼缘1／3腹板高度范围内。当风吸力作用下檩条下翼缘受压时，屋面板宜采用自攻螺钉直接与檩条连接，拉条则宜设在檩条下翼缘附近；当屋面采用扣合式或咬合式钢板时，宜分别在距檩条上下翼缘1／3腹板高度范围内同时设置拉条。有的项目檩条跨度大于4m甚至达到6m时也不设拉条：有的项目虽设拉条，但不设斜拉条和撑杆；有的项目的拉条靠檐口的一端拉接点设在檩条上1／3范围内，靠屋脊的一端，拉接点设在檩条下1／3范围内。这些都是不妥当的。拉条不大，但作用不小，必须十分重视。同样，采用冷弯薄壁型钢墙梁时，亦应根据其跨度大小设置必要的拉条和撑杆。

5混凝土楼板设计

(1)某钢框架结构房屋，现浇混凝土楼板长度达90m，超长很多，未设温度伸缩缝，也未采取其他减小温度和混凝土收缩作用的措施。钢结构房屋和混凝土结构房屋由于材料性质不同，温度伸缩缝区段长度差别很大。例如现浇混凝土框架结构房屋，温度伸缩缝区段长度最大为55m，钢框架结构房屋，温度伸缩缝区段长度约为120m。为了防止或减轻混凝土楼板开裂，钢框架结构房屋采用现浇混凝土楼板时，原则上仍应按混凝土结构的要求留设温度伸缩缝。只有当采用设置施工后浇带和其他减小混凝土温度变化或收缩的可靠措施时，才可以适当增大温度伸缩缝区段长度。(2)压型钢板组合混凝土楼板，除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外，为了保证混凝土和压型钢板共同工作，它们之间应有连接措施。根据规范规定，其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼，也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。由于产品规格的限制，目前国内带纵向波槽的压型钢板和带压痕或开小洞的压型钢板不多。所以，当无法采用上述这两种板型时，要实现压型钢板和混凝土的连接，可在压型钢板上焊接横向钢筋，而且在任何情况下，压型钢板端部必须焊接栓钉(图1)。但有的项目没有完全这样做，直接影响到压型钢板和混凝土板的共同工作，这是不妥当的。(3)当框架型钢梁(无压型钢板底模的非组合梁)直接支承现浇混凝土楼板时，应在钢梁上焊接构造抗剪连接件，通常采用弯筋连接件。弯筋连接件的钢筋弯折方向应与混凝土翼板对钢梁的水平剪力方向相同(图2)，而不应像某些项目那样，或者不弯折，或者在垂直水平剪力方向弯折。(4)在框架梁柱连接处，当柱截面尺寸较大时，通常应在梁端之间焊接45o的角钢支托来支承压型钢板，但在混凝土板顶面，规范并未要求采取任何加强措施。钢框架梁柱节点处的混凝土板位于负弯矩区，受力较大且复杂，钢柱的存在使该处混凝土楼板不连续。因此笔者认为，当钢柱截面尺寸较大时，应当象混凝土楼板开洞时洞边加强的处理办法那样，通过设置加强钢筋来加强该处的混凝土楼板。

6网架结构设计

(1)网架和下部结构分开计算时，通常假定网架支座刚度为无穷大，因此所有支座刚度相同(类似于结构力学中简支板的支座假定)，算出支座反力后再加到下部结构上。下部结构可能是柱，也可能是粱，也可能是其他结构形式，不仅刚度是有限的，而且刚度差异可能很大。在这种假定条件下，算出来的网架内力和支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的，因为超静定的网架结构的内力和反力分配与结构刚度分布有关。有计算分析表明，这种不同对有的构件可能高达好几倍。网架和下部结构分开计算会导致不合理的结果。那么为什么出事故的工程只占少数呢?这是因为钢网架结构是高次超静定空间结构，钢材又是非常理想的弹塑性材料，个别杆件出现超载达到流限，会立即发生塑性内力重分布，使该杆件不至于断裂破坏。这正是钢网架结构的重要优点之一，但不应因此就认为分开计算是正确的。(2)由于现行《网架结构设计与施工规程》(JGJ7—91)没有规定必须把网架和下部结构连成一体整体分析，国内多数网架专用程序都是把网架和下部结构分开来计算的，这显然是不妥当的。这种现状应当改变，规程JGJ7—91应尽快修订，应当明确要求网架和下部结构必须连在一起进行整体分析计算，网架专用程序亦应随之修改。

7抗震设计

钢结构房屋与混凝土结构房屋不同，无抗震等级之分。抗震设计时，钢结构房屋应根据设防烈度、结构类型和房屋高度，采用不同的地震作用效应调整系数，并采取不同的抗震构造措施。钢框架结构及钢框架支撑结构的抗震构造措施主要根据设防烈度和房屋高度，控制框架柱和支撑的长细比，控制梁、柱及支撑杆件板件的宽厚比，控制梁柱连接节点的构造要求——包括设置加劲肋、设置侧向支撑，包括连接焊缝的质量要求和高强度螺栓连接的构造要求等。施工图设计中存在的问题主要是某些项目对板件宽厚比和支撑长细比控制不当，仅按《钢结构设计规范》(GB50017—2003)的要求控制是不够的，抗震设计时应按《抗震规范》第8章的要求控制。有的设计者可能不清楚，规范CB50017—2003的构造规定并不完全适用于抗震设防地区。有的框架结构房屋，梁柱刚性连接时，有的设计者未注意到《抗震规范》第8．3．6条(强制性条文)的要求：组合柱在粱翼缘上下各500mm的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝，应采用坡口全熔透焊缝，不允许采用角焊缝。

8建筑钢结构防护

建筑钢结构的防护主要包括两个方面，即防腐蚀和防火及隔热。有的设计人员往往在这两个方面注意得不够，没有在设计文件中加以强调和说明。《钢结构设计规范》(GB50017—2003)把钢结构的防护列为强制性条文，要求在设计文件中注明所要求的钢材除锈等级和涂料及涂层厚度：柱脚在地面以下的部分应采用混凝土包裹，受侵蚀作用的柱脚不宜埋入地下；钢结构构件的防火保护层厚度应根据建筑物的耐火等级和构件的不同耐火极限进行设计；受高温作用的结构，应根据不同情况采取相应的隔热防护措施。